异形钢结构景观桥施工过程数值分析及控制
徐志强
（天津生态城投资开发有限公司，天津300459）
[摘要]天津生态城运河故道桥梁工程“飘带“外形轻盈，通透.施工前，通过采用有限元软件建立桥梁结构和临时支撑体系组成的有限元模型，对钢箱梁整个安装过程进行数值模拟，得到各施工步骤下桥梁主要部位的受力和变形情况，判定施工方案的可行性和合理性；施工过程中，通过施工监测实时控制，确保了异形结构钢桥安全、顺利 施工.
[关键词]安装；钢结构：桥梁；钢箱梁；拱结构：数值模拟；监测
[中图分类号】TU758 [文献标识码]A
[文章编号】1002-8498（2016)09-0021-04
Numerical Analysisand Control of Construction Process on a Special-shapedSteel Landscape Bridge
Buebuz nx
(Tianjin Eco-ciry Inrestment and Devefopment Co. Lad. Tianjin 300459 China)
Abstract:The shape of the bridge on Tianjin Eco-city old canal is ribbon. Before construction finiteelement models with the bination of bridge structure and temporary supports are built to analyze thewhole installation process the forces and deformation in the main parts of the bridge are obtained todetermine the feasibility and rationality of construction scheme. The construction safety is ensured bymonitoring and real-time control.
Key words:installation;steelstructures;bridges;steel box girders;arch structures;simulation; monitoring
主桥钢箱梁为单箱双室截面，桥面宽度14m，双该工程位于天津生态城03片区与04片区之向4车道；结合景观方面考虑，上箱梁（主梁）顺桥拱）标准段为等截面钢箱梁，顶、底板水平布置，梁高1.115m，顺桥向为不规则曲线；主梁和主拱在跨
1工程概况
南部片区、生态岛片区和北部、东北部片区的主要1.5%的横坡，中心线处的高度为1.11m；下箱梁（主 间，工程全长959.47m，双向四车道，是连接生态城向为变截面，其中底板保持横向水平，顶板设置交通要道.其中主桥长270m，跨径布置为35m50m×435m，"飘带“外观造型轻盈美观（见图1）.其中上层飘带由主梁行车道和人行道的悬臂组成，中范围合为梁拱结合段（见图2）.的翼结构组成，它随着拱的延伸面不断改变高度、长度和角度，形成起伏飘动的姿态.
在水平方向不变化；下层飘带由拱形支撑结构两侧2梁体节段划分及支架体系方案
为实现桥梁整体景观效果，梁体采用不规则曲线，且在跨中处与主拱合为梁拱结合段.为满足运输和现场安装要求，梁段需分段制作、安装.
2.1梁体节段划分
成，梁顶板、底板及腹板板厚呈16~35mm交替变 主桥上部结构由5个相似造型的主拱及主梁组化.综合设计、运输及吊装要求，单幅桥主梁共划分22个制造梁段，主拱共划分25个制造梁段，其中主拱有10个节段与主梁连接在一起制作，吊装节段共37个.为了保证如此多的节段制作完成运输至
Fig.1Architecture effect of landscape bridge 图1铜拱连续梁景观桥效果
Fig. 2 Landseape bridge cross seetion( unit;cm) 图2钢拱-连续梁景观桥横断面（单位：cm）
现场安装后全桥线形符合设计标准，经过多方案比 选，最终采用”多节段匹配制作、立体预拼装”的施工工艺进行全桥梁段制作，梁体节段划分如图3所示.
图3梁体节段划分（单位：m）Fig.3Girder segment division( unit;m)
2.2桥梁现场安装支架体系方案
1）主拱、主梁下支架采用钢管格构型钢组合支架，每组支架为4根600×12钢管，组成格构支架；格构立柱之间用[16作为水平支撑和剪刀撑连接，共同支撑上部钢箱梁的质量；在支架立柱钢管顶部设置2132横梁，作为钢箱梁的小立柱支撑捆置点；横梁同时也是连接立柱成为整体的主要构件， 如图4所示.
2）小立柱支架设置主要是为了调节主立柱支架的高度，同时也便于总支架的拆除，一般高度控制在0.2~0.35m.
置牛腿支撑，另一侧在梁段环缝两侧搭设碗扣式脚 3）挑梁下支架横桥向一侧通过在主梁上设手架作为支撑体系（见图5）.
图4主拱、主梁下支架
Fig. 4 Supports under main girders and arches
图5挑梁下支架（单位：m）
3施工过程仿真分析
施工前，采用有限元软件建立桥梁结构和临时支撑体系组成的有限元模型，对桥梁现场施工过程 进行数值模拟，得到各施工步骤桥梁主要部位的受力和变形情况，以及临时支撑的轴力，判定桥梁安装及临时支撑卸载施工方案的可行性和合理性，根据数值模拟计算结果提出合理的施工建议；施工过程中，通过施工监测实时控制.
3.1梁段受力与变形数值模拟
1）判断钢箱梁梁段吊点位置是否合理，计算吊装过程中梁段的应力与变形.
2）计算钢箱梁安装过程中的应力与变形，以及钢箱梁在支撑位置处的局部应力.
3）计算钢箱梁卸载过程中的应力与变形.
3.2临时支撑体系受力与变形数值模拟
计算主桥钢箱梁在安装、支架拆除过程中临时支撑体系各组成部分的强度、稳定性与变形.
4梁段吊装仿真分析
（即横隔板位置），纵向为节段的腹板位置的1/3 钢箱梁吊点横向一般在箱梁内部有支撑位置处，吊点在长度、宽度方向尽量保证对称，还要考虑起重机的起吊能力、起吊高度等因素的影响，综合以上因素后确定的纵横向交点即为吊点位置.
4种情况进行仿真分析，按最不利原则，选取长度最长 根据梁体特点，分为主拱、主梁、梁拱结合段、挑梁的梁段进行吊装数值模拟.模拟结果如表1所示.
表1梁段吊装数值模拟结果
Table 1 Simulation results of girder installation
梁段 梁段竖向 变形 捷跨比部位 选取梁段 梁段长/m 自重/ 变形最大值/ mm 最大值 位置 梁段应力主梁 31号节段 （4吊点， 17.6 50.4 1.1 节段两端 1/4 545 = 50.7MPa <310MPs 双机抬吊） 下翼缘处 = 50. 5MPa 295MPs 位于节段吊点处主拱 20号梁段 （4吊点） 8.0 53.6 0.3 节段箱梁底板 中心处 1/23 076 位于节段吊点处梁拱 36号梁段 12.4 97.2 1.3 节段边缘底板处 1/3 108 106. 6MPa<295MPs 结合段 （4吊点，双机拾吊） 位于节段吊点处挑梁 31号梁段 （6吊点， 17.6 33.0 7.5 节段边缘 1/398 =41. 1MPa <310MPs 双机拍吊） 底板处 位于节段吊点处 注：吊装过程中考虑动力系数1.3，16mm那Q345钢材强度设计值310MPa 25mm厚Q345钢材强度设计值295MPa，30mm厚Q345钢材强度 设计值295MPs 5安装过程数值模拟 5.1有限元计算模型建立 5.2安装过程数值模拟 梁段桥位安装施工流程为：先施工7~9号墩处梁段，然后施工5，6，10，11号墩处梁段.顺桥向按照“主拱→拱梁结合段一主梁”的施工顺序，中间3跨施工完成后进行边跨施工；最后从中墩向边墩依 次、对称安装挑梁. 考虑到施工过程中各跨之间无相互影响，且各跨跨度和结构自重基本相同，故选取中跨桥段建立有限元模型模拟各施工安装步骤. 并建立有限元模型.主梁与主拱箱梁的上下翼缘、 采用ANSYS有限元软件对施工模型进行简化腹板和横隔板采用shell63单元模拟，加劲肋采用beam188单元模拟，支撑柱采用beam188单元模拟.支撑柱对桥仅提供竖向约束，支撑点设置在箱梁纵、横加劲肋相交处. 根据现场拟采用的施工方案，各节段梁架设在支撑体系上进行焊接，安装挑梁和飘带以及拆除支撑过程按整体结构计算.施工步骤及分析结果如下. 1）架设8号墩处20号梁段（主拱）20号节段力，最大值为19.4MPa，跨中最大变形为0.2mm. 自重较大，支承在小立柱上时横隔板产生局部应 2）架设8号墩两侧19，21号梁段（主拱）19号节段简支状态下最大应力为10.6MPa，跨中最大变形0.2mm. 段）16号节段支承在小立柱上处于简支状态时， 3）架设8号墩两侧16，22号梁段（梁拱结合在连接主梁与主拱的腹板处出现应力集中，实际工程中腹板该处设置了倒角，可有效减小应力集中. 小立柱支撑点处最大应力为32.6MPa，节段最大变形为1.1mm. 4）架设8号墩处18号梁段（主梁）18号节段简支状态下，最大应力为25.4MPa，节段跨中支撑点0.4mm.18号节段架设完成后，其支承柱连接的主 处横隔板最大应力为20.8MPa；节段最大变形为拱上顶板出现应力集中，局部最大变形为0.5mm，最大应力为49.0MPa. 5）架设8号墩处17号梁段（主梁，合龙段）17号节段在简支状态下最大应力为28.9MPa，位于小.节段最大变形为0.4mm.17号节段架设完成 左端牛支承点处，右端小立柱支承点处应力较后，与其右端支撑柱相连的箱梁翼缘处出现应力集中，最大应力为29.7MPa，最大变形为0.3mm. 6）架设D类挑梁（自重33.0t，长17.6m）6点为6.5mm. 支撑时，D类挑梁最大应力为39.0MPa，最大变形 6临时支撑卸载过程仿真分析 6.1临时支撑拆除顺序 1）从中墩向边墩依次对称拆除挑梁下的临时支撑. 2）从中墩向边墩依次对称拆除主梁与主拱之间的临时支撑（8号墩→7号墩（9号墩）一6号墩 （10号墩））. 3）从中跨向边跨依次对称拆除梁体与地面的临时支撑（7-8号墩（8~9号墩）→6~7号墩（9~°（（确台11~01）台9~S（期台01 6.2有限元计算模型建立 建立临时支撑卸载模型.主拱、主梁、挑梁及横隔采用shell63单元，部分加劲肋采用beam188单元. 桥墩处约束三向平动自由度（x，y，2向）.临时支撑轴向刚度650000kN/m，偏安全未考虑其弹性，耦合主梁与主拱间临时支撑处竖向自由度（：向）. 主拱下临时支撑约束竖向自由度（z向），计算模型施加自重荷载、端部压重及飘带荷载. 6.3临时支撑卸载过程仿真分析 6.3.1拆除全跨挑梁下临时支撑 出现在挑梁边，为2.7mm，挠度与跨度比值约为1/ 拆除全跨桥梁其他挑梁下临时支撑，最大变形5700.结构最大应力为79.3MPa，出现在6号墩跨加劲肋处，实际工程中对腹板进行倒角处理可减小该集中应力. 6.3.2拆除主梁与主拱之间的临时支撑 大变形为16.4mm，挠度与跨度之比约为1/2500.结 拆除主梁与主拱之间的临时支撑，结构竖向最构最大应力为157.6MPa，最大应力出现在8号跨梁拱结合段加劲助处，实际工程中对腹板进行倒角处理可减小该处集中应力. 6.3.3拆除梁体与地面之间临时支撑 拆除梁体与地面之间的临时支撑，结构竖向变形最大值为33.7mm，挠度与跨度之比约为1/1300.结构最大应力为230.1MPa，产生于梁拱结合段腹板处，实际工程中对腹板进行倒角处理可减小该处集中应力，此时临时支撑已拆除，结构支墩及梁 拱结合段应力较大.支墩边缘处应力约为102.2MPa，梁拱结合段应力约为51.1MPa. 7施工过程桥梁监测 为了对成桥目标进行有效控制，修正在施工过影响，确保成桥后主体结构内力和线形满足设计要 程中各种影响成桥目标的参数误差对成桥目标的求，对工程主梁标高、主梁截面应力、墩柱变位、温度等内容进行施工监测. 7.1桥梁应力监测结果 施工过程中，按照拟定临时支撑拆除方案进行施工，对每种卸载工况进行监测，并将监测结果与 理论计算值进行对比，卸载全部完成后对比数据如表2所示（8~9号墩），从表中可以看出，实测值（绝对值）
5）一辆载重510kN的汽车以30km/h的速度行驶作用下，实测试验跨的最大动力增大系数为1.158.
天津生态城中部片区经六路上跨蓟运河故道桥梁工程左幅主桥承载能力满足设计荷载要求.
8结语
施工过程中，通过建立有限元模型，对钢箱梁梁段吊装、梁段安装、卸载过程进行仿真分析，为实际施工提供合理化建议：施工过程中，通过施工监测实时控制，确保了异形结构钢桥安全、顺利施工.
参考文献：
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